CN111575579A - 一种q460gjez35建筑结构钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种厚度在160‑200mm的大厚度建筑结构用钢板Q460GJEZ35及其生产方法，包括如下质量含量的化学成分：C：0.08～0.12、Si：≤0.08、Mn：0.8～1.40、P≤0.008、S≤0.002、Al：0.015～0.030、Cr：0.15‑0.40、Mo：0.20‑0.35、Nb：0.015‑0.040、V：0.030‑0.045、Ni0.25‑0.50、Ti≤0.008，B≤0.0007，其它为Fe和残留元素；经过洁净钢冶炼、水冷模浇铸获得钢锭，再经过加热、控轧控冷、堆冷及热处理工序获得所述钢板。上述钢板各化学成分组合合理，获得的钢板组织良好，具有低碳当量、低焊接裂纹敏感性的特点，同时又具有较高的强度和良好的低温冲击韧性，各项性能指标优于国家标准，制造方法简单，满足大跨度建筑钢建设需要，具有良好的市场前景。

Description

一种Q460GJEZ35建筑结构钢板及其生产方法
技术领域
本发明属于中厚钢板生产技术领域，具体涉及到一种160-200mm厚度的Q460GJEZ35建筑结构钢板及其生产方法。
背景技术
随着我国经济的发展，越来越多的大型工程需要应用大厚度大跨度建筑用钢板，如2008年北京奥运会的“鸟巢”、“水立方”，2010年世博会的中国馆等建筑都是中国凭借自己的钢结构技术建造的大型钢结构建筑，还有各种现代化的机场，也是不错的大跨度钢结构建筑。此类大跨度钢结构多采用高强度钢，如Q390级别、Q420级别等高强度厚钢板，但其钢板厚度不大于150mm。
综合国内外大跨度建筑结构用钢的安装使用情况，现代大跨度钢结构建筑的特点如下：结构形式日益多样化和复杂化，结构跨度越来越大、钢材等级越来越高、钢板厚度越来越厚；现代结构件的预应力技术的要求越来越多，使用需求比较多；节点形式复杂多样；结构件使用量和截面的类型越来越多，跨度难度越来越大；结构件加工难度和精度要求越来越精准；施工现场焊接工作量也逐渐增多，施工条件苛刻等特点。
为更好的满足市场需求，有必要开发一种厚度超过150mm，级别更高且更加经济的大厚度大跨度建筑用钢板。
发明内容
本发明的目的在于提供一种160-200mm厚度的Q460GJEZ35建筑结构钢板及其及生产方法。
为达到上述目的，本发明是通过以下成分设计及生产方法实现的：
本发明所述160-200mm厚度的Q460GJEZ35建筑结构钢板，选取质量含量的化学成分(单位，wt%)如下：C：0.08～0.12、Si：≤0.08、Mn：0.8～1.40、P≤0.008、S≤0.002 、Al：0.015～0.030、Cr：0.15-0.40、Mo：0.20-0.35、Nb：0.015-0.040、V：0.030-0.045、Ni0.25-0.50、Ti≤0.008，B≤0.0007，其它为Fe和残留元素。
碳是重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度，但对韧性产生不利影响。本发明采用低碳、优化合金元素（Nb、V、Cr、Mo、Ni、B）添加量的方式，在保证钢的淬透性、不降低韧性的前提下，确保其钢板的各项性能指标满足技术条件的要求。
为保证160-200mm厚度的钢板得到Q460GJEZ35所要求的性能，甚至原高于其性能所需，本发明采取以下生产方法措施以实现：
1）洁净钢水冶炼：铁水经KR预处理、转炉冶炼及VD+LF+VD冶炼，获得低磷低硼洁净钢水；其中：铁水经KR搅拌脱硫后，使铁水中S≤0.006%；进入转炉冶炼，通过对转炉吹氧控制，使出钢温度控制1580-1600℃之间、C含量在0.04%≤C≤0.07%之间,钢水中P含量控制在0.003-0.005%之间、B含量控制在0.00020-0.00050%之间；采用VD+LF+VD的冶炼方式、Als控制在0.015-0.025%之间，H含量≤1.0ppm，钢水中非金属夹杂物控制在2.2级以内；
水冷模浇铸：模铸锭厚度≥720mm，铸锭本体浇铸速度控制在18-22min之间、冒口浇铸速度控制在7-9min之间，冷却10-12h，然后脱锭缓冷24h再进行带温清理；用水冷模铸锭，可使铸锭的原始晶粒细小，为成品钢板获得高性能打下基础，铸锭厚度≥720mm，使铸锭轧制成钢板过程中有大的压缩比，大的压缩比，可将铸锭内部可能的缺陷，通过大的压缩比得到弥合与消除；
2）钢锭加热：钢锭装炉温度≤300℃，装炉后闷钢2小时，一次升温至700℃-750℃，保温2-3小时；二次升温至900℃-950℃，保温2小时；三次升温至1230℃-1250℃，保温12-13小时；出钢前30min-40min降温20℃；制定合理的钢锭（坯）加热制度：合理的钢锭（坯）加热制度既可以保证合金第二相粒子在加热过程中充分固溶，又能保证奥氏体晶粒不发生粗化；Q460GJEZ35钢坯的Nb元素完全固溶温度为1150℃。在高温激光试验中观察了在160-200mm钢板原始奥氏体随温度变化的情况，在不同加热温度下的奥氏体晶粒变化图中可以看到，加热温度从1100℃提高至1180℃时，原始奥氏体晶粒尺寸仍然处于60μm以下；同时发明人发现加热温度超过1300℃时，钢锭晶粒变得粗大，轧制的钢板强度高但塑韧性差，钢板易产生裂纹。但综合考虑钢锭组织及设备承受负荷，特适当提高加热温度，保证轧件充分烧透，使轧机在进行大压下轧制时可降低轧制负荷。因此选取合金充分固溶的平衡温度以上30～50℃做为均热温度，为了提高加热的速度，在加热段选择将钢锭热温度为1230℃-1250℃，然后，出钢前30min-40min将表面温度降低至1200℃，这样有利于钢锭内外温度一致；分不同温度阶段对钢锭进行加热是避免内外温差过大，加热不均匀，另外，也是避免晶粒尺寸长大；加热的总时间为9.5-11.5min/cm。
（4）控轧控冷：轧制分粗轧与精轧两个阶段，其中粗轧阶段采用“高温底速大压下”轧制，开轧温度在1000-1150℃之间，道次压下量控制在35-50mm之间，轧机转速＜20R/min；精轧阶段开轧温度控制在940-980℃之间，采用均匀压下轧制，道次压下量控制在20-30mm之间，累积形变量不低于65% ，终轧温度控制在880℃～920℃之间；精轧结束，钢板进入ACC层流冷却，冷却速度控制在10-22℃/S，返红温度控制在640-660℃之间；
（5）堆冷：钢板轧制结束入缓冷坑堆冷，堆冷温度≥600℃,堆冷时间≥72小时，钢板温度降至250℃以下后可拆垛；
（6）热处理：热处理过程依次为淬火、两相区淬火、回火；淬火温度控制在910-930℃之间，保温时间2.0-2.5min/mm，两相区淬火温度控制在820～860℃之间，保温时间1.8-2.5min/mm，回火温度控制在600-620℃之间，保温时间3.5-4.0min/mm。
经上述工艺处理获得的钢板金相组织为：铁素体+马氏体+板条贝氏体+残余奥氏体。
通过性能检测，在一些实施方式中，上述钢板的碳当量Ceq≤0.51%，屈强比≤0.81%，焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.24%，-60℃心部冲击功≥141J、1/4厚度冲击功≥174J；其中碳当量Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，焊接裂纹敏感性指数Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。
采用双VD+LF的冶炼工艺，第一次VD是为了脱碳、脱氧，通过真空减压，使溶解于钢水中的氧游离出来与碳反应，达到脱碳脱氧的目的，碳含量要求处于要求的下限；中间的LF炉冶炼是提高钢水温度，添加合金元素，在吹氩加白渣的作用下精炼除夹渣物，添加合金元素过程中会相应增加含碳量，但在要求范围内，在LF炉中加入铝线进一步脱氧；最后的VD炉处理是为了进一步真空减压，释放出钢液中含氢量，进一步去除杂质，获得优质钢水。
制定合理的钢锭（坯）加热制度：合理的钢锭（坯）加热制度既可以保证合金第二相粒子在加热过程中充分固溶，又能保证奥氏体晶粒不发生粗化。
高温再结晶区轧制技术:据细化晶粒的元素固溶量的关系曲线，确定了建筑用钢再结晶区轧制温度约在970℃以上，确定一阶段开轧温度在1000-1150℃之间，为了实现晶粒结构的完全破碎和钢坯芯部缺陷的最大粘合，必须加大轧制道次的变形量保证轧制变形能有效地传递到大厚度钢板的心部，即采用“高温底速大压下”的方法，每道次压下量控制在35-50mm之间，高温轧制阶段压轧机转速＜20R/min，粗轧通常将铸锭原始厚度轧制到原始厚度一半为宜。
变形区形状系数l/h（铸锭与轧辊接触的弧长与铸锭道次轧制前厚度之商）的大小与轧制道次变形量有直接关系。当变形区形状系数l/h＞0.5 时，压缩变形完全深入到轧件内部，形成中心层变形大于表面变形的现象；而当变形区形状系数l/h＜0.5 时，随着变形区形状系数的减小，压缩变形不能深入到轧件内部，只限于表面层附近。道次压下量控制在35-50mm之间，可保证每道次的变形均能渗透到钢板心部，在压缩比较小的前提下，可最大限度的改善钢板心部组织。
控温轧制技术：在未再结晶区的精轧阶段进行控温轧制，此时轧后的奥氏体晶粒得到了一定效果的抑制, 所以说，随着轧制道次的数量增加，变形后的奥氏体晶粒顺着轧制方向慢慢增长，从而变形带数量和位错也逐渐增多。变形奥氏体的晶界、变形带和位错是铁素体的形核点。随着变晶粒形核变形量的扩大，变形带数量增多，分布更加均匀。未再结晶区轧制采用均匀压下轧制方法，每道次压下量控制在20-30mm之间，其累积形变量不低于65% ,相变获得的铁素体晶粒产生塑性变形,以进一步提高钢板的强度及韧性。钢板终轧后立即采用强水冷处理，最大限度保留细化的奥氏体组织，抑制钢板不具备晶粒长大条件，从而达到晶粒细化目的。
采用淬火+两相区淬火+回火工艺(QLT)的热处理工艺来获其高强度和高韧性，通过淬火获得马氏体组织，通过亚温加热大部分马氏体消失，留下小部分马氏体，大部分变成奥氏体和铁素体，通过亚温淬火奥氏体大部分变成板条马氏体，留有少部分残余奥氏体，铁素体和板条马氏体，最终得到细小的铁素体+马氏体+板条贝氏体+残余奥氏体的混合组织，且最终组织中的细小的铁素体有阻碍裂纹扩展的作用，提高了贝氏体的冲击韧性，并改善了钢种残留有害元素的分布，使其均匀的分布在细化后晶粒的晶界上，总晶界面积明显增多，单位晶界面积上的有害元素P、S等含量较少，合理的抑制有害元素在晶界上偏聚，有效的保证大厚度大跨度建筑结构用钢板Q460GJEZ35原始组织良好，又保证了大厚度大跨度建筑结构用钢板Q460GJEZ35各项性能满足要求，也确保钢板达到了使用要求。
附图说明
图1为本发明实施实例Q460GJEZ35组织金相图（金相显微镜，×200）。
图2为本发明实施实例Q460GJEZ35组织金相图（金相显微镜，×500）。
图3为本发明160mmQ460GJEZ35钢板冲击功水平。
图4为本发明200mm Q460GJEZ35钢板冲击功水平。
具体实施方式
实施例1：
成分设计：厚度为160mm的建筑结构用钢板Q460GJEZ35，包括如下质量含量的化学成分(单位，wt%)：C：0.11、Si：0.08、Mn：1.35、P：0.008、S：0.002 、Al：0.025、Cr：0.38、Mo：0.28、Nb：0.035、V：0.035、Ni：0.28、Ti：0.007，B：0.0006，其它为Fe和残留元素；
铁水经KR脱S预处理、转炉冶炼、VD脱碳处理、LF炉精炼、VD脱氢、模铸浇注、加热、控温轧制、堆冷、热处理、精整、探伤，获得成品钢板。具体生产工艺如下：
铁水脱S预处理：到站铁水必须进行扒渣，液面渣层厚度≤25mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.006%，脱硫时间≤25min，过程脱硫铁水温降≤25℃。
转炉冶炼：转炉装入废钢使用边角料；转炉出钢温度控制在1580-1600℃之间、C控制在0.04%≤C≤0.07%之间，使钢水过氧化出钢，保证刚水中B最大程度化的氧化，出钢过程中禁止吹氩、不加入脱氧剂和合金；出钢避免出钢下渣，若挡渣失败，必须提前抬炉，确保转炉下渣厚度控制在40mm以下，以避免下渣回P；钢水到氩站后，不加入脱氧剂和合金，也不进行吹氩。
VD脱碳处理：根据转炉出钢碳含量，确定碳粉加入量（若转炉出钢C≤0.04% ，则加20Kg碳粉；0.04%≥出钢C≤0.06%，加10Kg碳粉；出钢C≥0.06% 则不加碳粉），碳粉按要求加入后，进行VD脱碳处理，钢水吹氩充分，即单孔氩气流量160L/min，单孔氩气压力0.4Mpa；从而达到真空脱碳目的，保压时间至少≥15min，VD脱碳后出钢C含量控制在0.02%-0.04%，方可吊至精炼进行冶炼。
LF精炼工艺：VD脱碳处理结束后按4.0m/t铝线加入钢水中，钢水到站后先加100kg萤石和200kg石灰，加入后开始造渣；精炼过程中，石灰按少量多批次加入，每次加入100Kg，为了精炼冶炼过程的脱S效果最佳化，冶炼单炉次钢水石灰加入量在800-1000Kg之间，从而也杜绝过程渣过稀；造渣过程中，若渣较粘稠，则加入25Kg萤石，提高炉渣流动性，保证稀渣操作，倒渣时容易倒出；精炼过程脱氧，电石用量控制在40Kg，铝粒用量控制在25Kg；二加热将贵重合金加入，如铬铁、钼铁、镍板、铌铁、钒铁加入；为了钢水P含量的稳定性，需控制冶炼过程成分微调次数，即精炼冶炼过程的贵重合金加入的次数（含补加合金的次数）控制在3次以内，过程取成分样的次数≤3次，则成品P含量较稳定，精炼结束后P含量控制在0.003-0.005%之间；过程Als控制在0.015-0.020%，在冶炼加热过程中钢水中的C、Si、Mn、S和其他元素含量满足成分要求时，缩短过程加热时间、减少吹氩强度，即减少了冶炼过程B的还原含量，保证B含量的稳定性，精炼结束后B含量控制在0.00020-0.00050%之间；精炼过程白渣持续时间至少≥35min；精炼结束，保证其成分达到冶炼要求；VD到站钢水温度按1660±10℃执行。
VD脱氢：VD保压时间20min，要求在67Pa（VD设备仪表显示真空度压力达到极限真空度-75pa，麦氏仪表真空计显示真空度压力40Pa以下）的真空度下，保压过程钢水翻腾效果良好，使其过程脱氢和去杂质效果最佳；VD保压结束后，为了查看VD过程脱氢、去杂质的效果，用定氢偶头插入钢液中进行定氢，定氢H 0.85ppm，离站温度1590±5℃。
模铸浇注工艺：浇铸厚度720mm*宽度2020mm*长度2800mm的铸锭，模铸锭的本体浇铸速度控制在22min，冒口浇铸速度控制在9min，冷却时间12，然后脱锭缓冷24h在进行带温清理。
加热工艺：钢锭装炉温度290±10℃，装炉后闷钢2小时，一次升温至735±10℃，保温2小时；二次升温至935±10℃，保温2小时；三次升温至均段温度1240±10℃，保温12小时；出钢前30min-40min降温20℃，到出钢时间方可出钢。
控温轧制：分粗轧与精轧两个阶段轧制，其中粗轧阶段采用“高温底速大压下”轧制，开轧温度在1000℃-1050℃，道次压下量控制在50mm，轧机转速＜20R/min；精轧阶段开轧温度控制在970±10℃之间，采用均匀压下轧制，道次压下量控制在25mm，累积形变量不低于65% ，终轧温度控制在900±10℃；精轧结束，钢板进入ACC层流冷却，冷却速度控制在20℃/S，返红温度控制在650±10℃。
堆冷：钢板轧制结束入缓冷坑堆冷，堆冷温度≥630℃,堆冷时间≥72小时，钢板温度降至250℃以下后可拆垛。
热处理：热处理过程依次为淬火、两相区淬火、回火；淬火温度控制在920±10℃，保温时间320min，两相区淬火温度控制在830±10℃，保温时间352min，回火温度控制在610±10℃，保温时间560min。
热处理后的钢板，经过精整、探伤，获得如表1的成品钢板。
实施例2：
成分设计：厚度为200mm的建筑结构用钢板Q460GJEZ35，包括如下质量含量的化学成分(单位，wt%)：C：0.1、Si：0.08、Mn：1.2、P：0.007、S：0.002 、Al：0.025、Cr：0.38、Mo：0.28、Nb：0.035、V：0.04、Ni：0.42、Ti：0.008，B：0.0007，其它为Fe和残留元素；
铁水经KR脱S预处理、转炉冶炼、VD脱碳处理、LF炉精炼、VD脱氢、模铸浇注、加热、控温轧制、堆冷、热处理、精整、探伤，获得成品钢板。不同在于：
模铸浇注工艺：浇铸厚度835mm*宽度2200mm*长度2800mm的铸锭。
加热工艺：钢锭装炉温度290±10℃，装炉后闷钢2小时，一次升温至735±10℃，保温3小时；二次升温至935±10℃，保温2小时；三次升温至均段温度1240±10℃，保温13小时；出钢前30min-40min降温20℃，到出钢时间方可出钢。
控温轧制：分粗轧与精轧两个阶段轧制，其中粗轧阶段采用“高温底速大压下”轧制，开轧温度在1110±15℃之间，道次压下量控制在50mm，轧机转速＜20R/min；精轧阶段开轧温度控制在960±10℃之间，采用均匀压下轧制，道次压下量控制在25mm，累积形变量不低于65% ，终轧温度控制在900±10℃之间；精轧结束，钢板进入ACC层流冷却，冷却速度控制在20℃/S，返红温度控制在650±10℃之间。
堆冷：钢板轧制结束入缓冷坑堆冷，堆冷温度≥600℃,堆冷时间≥72小时，钢板温度降至250℃以下后可拆垛。
热处理：热处理过程依次为淬火、两相区淬火、回火；淬火温度控制在920±10℃，保温时间440min，两相区淬火温度控制在840±10℃，保温时间480min，回火温度控制在610±10℃，保温时间760min。
热处理后的钢板，经过精整、探伤，获得如表2的成品钢板。
检测分析：钢板的力学性能试件取样位置及试样制备按照标准GB/T 5313及GB/T2975规定进行。低温冲击韧性试验按GB/T 229标准进行，拉伸性能试验按GB/T 228标准进行，弯曲性能试验按GB/T 232标准进行。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 308799DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure 383459DEST_PATH_IMAGE004
由上述试验结果可见，按本发明方案生产的Q460GJEZ35钢板组织致密，1/4板厚、1/2板厚处各项性能指标均匀且满足大厚度大跨度建筑结构用钢板Q460GJEZ35用钢要求。
外检及探伤：所研制的钢板外检，正品率100%，最终钢板探伤达到NB/T 47013.3-2015 标准超声波一级要求（进行100%超声波探伤）。

Claims (2)

1.一种Q460GJEZ35建筑结构钢板，其特征在于包括如下质量含量的化学成分：C：0.08～0.12、Si：≤0.08、Mn：0.8～1.40、P≤0.008、S≤0.002 、Al：0.015～0.030、Cr：0.15-0.40、Mo：0.20-0.35、Nb：0.015-0.040、V：0.030-0.045、Ni0.25-0.50、Ti≤0.008，B≤0.0007，其它为Fe和残留元素；
所述钢板组织为：铁素体+马氏体+板条贝氏体+残余奥氏体；
所述钢板的碳当量Ceq≤0.51%，屈强比≤0.81%，焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.24%，-60℃心部冲击功≥141J、1/4厚度冲击功≥174J。
2.一种如权利要求1所述Q460GJEZ35建筑结构钢板的生产方法，其特征在于其生产方法包括以下步骤：经冶炼符合本钢种化学成分要求的钢水，通过水冷锭模浇铸获得钢锭，钢锭经过加热、控轧控冷、堆冷及热处理获得所述钢板，具体如下：
（1）洁净钢水冶炼：铁水经KR预处理、转炉冶炼及VD+LF+VD冶炼，获得低磷低硼洁净钢水；其中：铁水经KR搅拌脱硫后铁水中S≤0.006%；转炉冶炼结束，出钢温度控制1580-1600℃之间、C含量在0.04%≤C≤0.07%之间；VD+LF+VD冶炼结束，钢水中P含量控制在0.003-0.005%之间、B含量控制在0.00020-0.00050%之间、Als控制在0.015-0.025%之间，H含量≤1.0ppm，钢水中非金属夹杂物控制在2.2级以内；
（2）水冷模浇铸：模铸锭厚度≥720mm，铸锭本体浇铸速度控制在18-22min之间、冒口浇铸速度控制在7-9min之间，冷却10-12h，然后脱锭缓冷24h再进行带温清理；
（3）钢锭加热：钢锭装炉温度≤300℃，装炉后闷钢2小时，一次升温至700℃-750℃，保温2-3小时；二次升温至900℃-950℃，保温2小时；三次升温至1230℃-1250℃，保温12-13小时；出钢前30min-40min降温20℃；加热总时间为9.5-11.5min/cm；
（4）控轧控冷：分粗轧与精轧两个阶段轧制，其中粗轧阶段采用“高温底速大压下”轧制，开轧温度在1000-1150℃之间，道次压下量控制在35-50mm之间，轧机转速＜20R/min；精轧阶段开轧温度控制在940-980℃之间，采用均匀压下轧制，道次压下量控制在20-30mm之间，累积形变量不低于65% ，终轧温度控制在880℃～920℃之间；精轧结束，钢板进入ACC层流冷却，冷却速度控制在10-22℃/S，返红温度控制在640-660℃之间；
（5）堆冷：钢板轧制结束入缓冷坑堆冷，堆冷温度≥600℃,堆冷时间≥72小时，钢板温度降至250℃以下后可拆垛；
（6）热处理：热处理过程依次为淬火、两相区淬火、回火；淬火温度控制在910-930℃之间，保温时间2.0-2.5min/mm，两相区淬火温度控制在820～860℃之间，保温时间1.8-2.5min/mm，回火温度控制在600-620℃之间，保温时间3.5-4.0min/mm。
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